Особенности химических процессов в атмосфере

1. Большинство химических реакций инициируются не термически, а фотохимически, т.е. при воздействии квантов света, полученных в результате излучения Солнца.

2. Атмосфера Земли – окислительная за счет содержащегося в воздухе кислорода, и в ней преобладают Окислительно-восстановительные реакции с участием частиц в основном с ковалентным типом химической связи.

3. Для атмосферных процессов характерны цепные реакции, т.е. реакции, протекающие в несколько стадий с участием промежуточных продуктов – реакционно-способных радикалов (CH₃^•, O^•, HO^•, HO₂^•, H^• и др.).

4. В химических и фотохимических превращениях образуются разнообразные неорганические и органические соединения, в ряде случаев токсичные.

5. Продукты реакций могут переноситься на дальние расстояния и длительное время сохраняться в атмосфере (например, в виде аэрозолей).

Область атмосферы, в которой происходят химические реакции, часто называется хемосферой. К ней относится тропосфера и нижняя часть стратосферы.

Атмосфера

Зависимость содержания O₃ , O₂ , O и N₂ в атмосфере от высоты:

Примеры фотохимических и химических процессов в атмосфере

Воздух, которым мы дышим

Каждый человек делает примерно 14 вдохов за минуту. За сутки человек пропускает через свои легкие как минимум около 14-15 кг воздуха или около n*104 л (n=1,2,3…) по объему. Поэтому качество воздуха, которым мы дышим имеет первостепенное значение для нас.

Мы вдыхаем:

азот – 78,09 об.%

кислород – 20,94 об.%

углекислый газ – 0,033 об.% и т.д.

Мы выдыхаем:

азот – 78,09 об.%

кислород – 15,8 об.%

углекислый газ – 4 об.%

Гидросфера

Гидросфера– водная оболочка Земли, совокупность океанов, морей, водных объектов суши (реки, озера, болота водохранилища), подземных вод, включая запасы воды в твердой фазе (ледники, снежный покров); одна из геологических оболочек нашей планеты. Гидросфера Земли представляет собой единую водную оболочку, основным компонентом которой является химическое соединение H₂O . Гидросфера – это глобальная открытая система, а вода в ней – самое распространенное на Земле вещество.

Вода– единственное химическое соединение, которое в природных условиях существует в виде жидкости, твердого вещества (лед) и газа (пары воды). H₂O – соединение с ковалентным типом химической связи.

Вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость, без запаха, обладающую рядом аномальных физико-химических свойств:

– высоким поверхностным натяжением и зависящим от него значительным капиллярным поднятием, что обеспечивает питание растений по корневым системам;

– высокими температурами замерзания и кипения;

– удельные энтальпии испарения и плавления H₂O (в расчете на 1г) выше, чем у большинства веществ;

– плотность воды в жидком состоянии больше плотности льда, поэтому лед плавает на поверхности воды, и природные водоемы не промерзают до дна.

Эти аномальные свойства воды объясняются существованием в ней водородных связей, которые связывают молекулы H₂O в газообразном, жидком и в твердом состояниях.

Природная вода

Природная вода– это раствор многих веществ, в том числе солей, газов, а также веществ органического происхождения, некоторые из них находятся во взвешенном состоянии. В большинстве случаев природная вода имеет атмосферное происхождение (дождевая вода), реже – глубинное (конденсация паров, поднимающихся из недр Земли)

Существует несколько классификаций химического состава природных вод.

В гидрохимии компоненты химического состава природных вод делятся на шесть групп:

1.Главные ионы (макрокомпоненты): K⁺, Na⁺, Mg²⁺ , Ca²⁺ , Cl^- , SO₄^2- , HCO₃^- , CO₃^2- .

2.Растворенные газы: O₂, N₂, H₂S, NH₃, CH₄ и др.

3.Биогенные вещества (продукты жизнедеятельности организмов), главным образом, неорганические соединения азота и фосфора.

4.Растворенные органические вещества (РОВ), т.е. органические формы биогенных элементов. Эта группа включает практически все классы органических соединений.

5.Микроэлементы. В эту группу входят все металлы, кроме главных ионов, а также анионы.

6.Бактерии и микроорганизмы.

Классификация, предложенная Л.А.Кульским, основана на фазовом состоянии и дисперсности примесей, содержащихся в воде.

Примеси первой группы – образования, попадающие в воду вследствие эрозии слагающих ложе водоема пород и смыва с поверхности почв. Они представляют собой нерастворимые в воде суспензии, планктон и бактерии, кинетически неустойчивые и находящиеся во взвешенном состоянии благодаря гидродинамическому воздействию водного потока.

Примеси второй группы – гидрофильные органические и минеральные коллоидные частицы, вымываемые водой из грунтов, а также нерастворимые и недиссоциированные формы гумусовых веществ, детергенты и вирусы, которые по своим размерам близки к коллоидным частицам.

Примеси третьей группы – молекулярно- растворимые вещества: органические соединения, растворимые газы и т.п.

Примеси четвертой группы– вещества, диссоциирующие на ионы.

Из природных вод человек чаще всего сталкивается с так называемыми поверхностными природными водами.

Характеристика веществ, находящихся в водах поверхностных источников во взвешенном состоянии:

Взвешенное вещество	Характеристика
Размер частиц, мм	Время осаждения частиц на глубину 1 м
Коллоидные частицы	2٠10-4–1٠10-6	4 года
Тонкая глина	1٠10-3–5٠10-4	0,5-2 мес
Глина	27٠10-4	2 сут
Мелкий ил	1٠10-2–5٠10-3	4-18 ч
Ил	5٠10-2–27٠10-3	10-30 мин
Песок мелкий	0,1	2,5 мин
Песок средний	0,5	20 с
Песок крупный	1,0	10 с

За счет антропогенной деятельности в химический состав природных вод можно внести еще одну разновидность – это токсичные загрязняющие вещества: тяжелые металлы, нефтепродукты, хлорорганические соединения, синтетические поверхностно-активные вещества, фенолы и т.д. При хлорировании природной воды в ней могут также образоваться диоксины.

Качество природной воды

Показатели качества природной воды обычно подразделяют на физические (температура, цветность, взвешенные вещества, запах, вкус и др.), химические (жесткость, активная реакция, окисляемость, сухой остаток и др.), биологические (гидробионты) и бактериологические (общее количество бактерий, коли-индекс и др.)

Критерий качества воды может быть представлен следующим образом:

С £ ПДК,

где С – обнаруженная концентрация, мг/дм³; ПДК – предельно-допустимая концентрация, мг/дм³_.

Если в питьевой воде обнаружено несколько веществ с одинаковым лимитирующим признаком вредности, то для них критерий качества воды имеет вид :

С₁ / ПДК₁ + С₂ / ПДК₂ + ... С_n / ПДК_n £ 1 ,

где С₁, С₂, ... С_n – обнаруженные концентрации веществ 1, 2 ....n, мг/дм³; ПДК_1, ПДК₂ ... ПДК_n – предельно-допустимые концентрации веществ 1, 2 ....n, мг/дм³_.

В настоящее время число установленных ПДК для водных объектов различного назначения составляет около 2000 (для атмосферного воздуха около 500, а для почвы более 100).

В качестве интегральной характеристики загрязненности поверхностных вод используют классы качества воды.

Различают 7 классов качества воды: I класс - очень чистые воды, II класс - чистые, III класс - умеренно-загрязненные, IV - загрязненные, V - грязные, VI - очень грязные, VII - чрезвычайно грязные. Отнесение к классу качества проводится по величине"индекса загрязненности воды" (ИЗВ) - комплексного показателя, характеризующего сумму нормированных (отнесенных к ПДК) среднегодовых значений концентраций загрязняющих веществ.

Цветность (окраска) обусловлена присутствием в природных водах гумусовых и дубильных веществ, белково- и углеводоподобных соединений, жиров, органических кислот и других органических соединений. Кроме того, окраска воды может быть вызвана присутствием в ней соединений железа, сточных вод некоторых производств, “цветением” воды.

Мутность характеризуется наличием в воде взвешенных частиц песка, глины, ила, планктона, водорослей и др.

Водородный показатель (pH). Природные воды по величине pH обычно классифицируют на: кислые с pH от 1 до 3, слабокислые с pH от 4 од 6, нейтральные с pH около 7, слабощелочные с pH от 8 до 10 и щелочные с pH от 11 до 14.

Сухой остаток характеризует содержание в воде в основном примесей неорганического происхождения. Представляет собой остаток от выпаривания известного объема нефильтрованной воды, высушенный при температуре 110°С до постоянной массы.

Хлориды и сульфаты присутствуют во всех природных водах обычно в виде солей кальция, магния, и натрия.

Железо и марганец в поверхностных водах обычно встречаются в виде органических и минеральных комплексных соединений, либо в виде коллоидных и тонкодисперсных взвесей.

Окисляемость воды обусловливается присутствием в ней органических и некоторых легкоокисляющихся неорганических соединений (железо (II), сульфиты, сероводород и др.).

Азотсодержащие вещества (ионы аммония, нитриты, нитраты) чаще всего образуются в природной воде в результате окислительно-восстановительных процессов с участием сероводорода, гумусовых веществ и др., либо в результате разложения белковых соединений.